凱庫勒

凱庫勒

凱庫勒,德國有機化學家。主要研究有機化合物的結構理論。在夢中發現了苯的結構簡式,被稱為一大美談。 1829年9月7日生於達姆施塔特。1848-1851年進入吉森大學,原先學建築,後來他多次聆聽化學大師李比希的講演,深受吸引和啟發,遂改攻化學,並在李比希的實驗室里積極、嚴謹地進行研究工作,完成了《關於硫酸戊酯及其鹽》的實驗論文,獲得博士學位。1875年當選為英國皇家學會會員。1877年任波恩大學校長。1867—1869年,凱庫勒在演講“關於鹽類的結構”和《關於萊1,3,5—三甲苯的結構》一文中,發表了有關原子立體排列的思想,首次把原子價的概念從平面推向三維空間。

基本信息

人物生平

凱庫勒在吉森大學獲博士學位。曾受教於著名化學家李比希等人。先後在海德堡大學、根特大學(比利時)、波恩大學任教。

凱庫勒一生著述甚豐。1929年,安許茨(R.Anschütz)主編,在柏林出版了兩卷凱庫勒資料彙編,包括他的生平、工作以及論文等。

曾任波恩大學校長和德國化學會主席。培養出拜爾等一批優秀化學家。1895年被德國皇帝威廉二世賜予貴族封號。

凱庫勒1829年出生於德國的達姆斯塔德市,中學時,就懂四門外語,從小熱愛建築,立志長大後要當一名優秀的建築大師。

18歲,他以優異的成績考入了吉森大學。這是德國當時最為著名的一所大學,校園美麗、學風淳樸,更為值得驕傲的是,這所大學還擁有一批知名度極高的教授,而且,允許學生可以不受專業的限制,選擇他們喜愛的教授。

凱庫勒在上大學前,就為達姆斯塔德設計了三所房子。初露鋒芒的他深信自己有建築的天賦。因此,進入吉森大學,他毫不猶豫地選擇建築專業,並以驚人的速度很快修完了幾何學、數學、製圖和繪畫等十幾門專業必修課。

在他正準備揚起自己的理想風帆時,一個偶然的事件,卻改變了他的人生道路。

這就是赫爾利茨伯爵夫人的案件。

此案開庭審理時,凱庫勒參加了旁聽。在黑森法庭,他見到了本案的真正的判決者——大名鼎鼎的李比希教授。教授手裡拿著一枚戒指。這是一枚價值連城的寶石戒指,上面鑲著兩條纏在一起的金屬蛇,一條是赤金的,一條是白金的,看上去精美絕倫。李比希教授測定了金屬的成分,然後緩緩地站起身來面對著台下急不可耐的聽眾,用一種平和而又堅定的語氣說道:

“白色是金屬鉑,即所謂‘白金’製成的。現在伯爵夫人侍僕的罪行是明顯的,因為白金從1819年起,才用於首飾業中,而他卻硬說這個戒指從1805年就到了他手中。”

清晰的邏輯分析,確鑿的實驗結論,使罪犯終於供認了盜竊戒指的事實。這個案件的審理,使凱庫勒對這位知名教授產生了一種由衷的敬佩之情。

其實,凱庫勒在吉森大學早就聽說了李比希教授的大名,同學們也多次勸說他聽聽這位教授的化學課,但他對化學毫無興趣,不願意將時間花費在自己不願做的事情上,因此,對這位教授的了解也僅限於道聽途說。這次偶然的接觸,使凱庫勒一改初衷,決定去聽聽李比希教授的化學課。課堂上,李比希教授那輕鬆的神態、幽默的語言、廣博的知識把凱庫勒帶人了一個全新的世界,這個世界像夢一般的美,強烈地吸引著凱庫勒,使他產生了極大的興趣。自此,凱庫勒就常去聽李比希的化學課,漸漸地他對化學研究著了魔。不久,凱庫勒放棄了建築學,立志轉學化學。此舉遭到了親人們的堅決反對,為此,他曾一度被迫轉入達姆施塔特市的高等工藝學校求學。但他仍堅信,自己未來的前途是從事化學,別無它路。進入工藝學校不久,他就同因發明磷火柴而聞名的化學教師弗里德里希·莫登豪爾接近起來。凱庫勒在這位老師的指導下,進行分析化學實驗,熟練地掌握了許多種分析方法。當親人們了解到凱庫勒決心不放棄化學時,只好同意他重返吉森大學繼續學習。1849年秋天,他回到了李比希實驗室,繼續進行分析化學實驗。李比希被這位學生的堅強意志深深地感動了。在他的指引下,凱庫勒從此走上了研究化學的道路。

1849年秋天,這是一個充滿著誘惑的秋天,是一個洋溢著豐收喜悅的秋天!凱庫勒經過艱辛的努力,以優異的成績,跨進了李比希的化學實驗室。

人們在慨嘆建築業失去一位優秀的設計家之餘,卻驚喜地發現在有機化學這片原始森林中矗立起一座精美的大廈!

為了在化學方面繼續深造,1851年,凱庫勒在叔父的支助下,自費去法國巴黎留學。由於經濟上緊張,他在巴黎只能維持很低的生活水平。但精力充沛的凱庫勒,全然不顧這些困難,硬是頑強地刻苦學習著。他要利甩一切機會與每一分鐘時間,充分吸收法國新的學術思想和學術風格。有一天:他從校園裡的布告牌上得知,著名法國有機化學家查理·日拉爾正在講授化學哲學課。他隨即跑去聽課,課後他向日拉爾提出了一些相當重要的問題,立刻引起了這位學者的注視。他被日拉爾請到自己的書房裡,一起討論。他們談得很投機,竟忘記了吃飯。當他告別日拉爾慢慢走回家時,已經是深夜了。在巴黎,凱庫勒過著清苦的生活。每天從早到晚,奔跑在教室與圖書館和宿舍之間。他的收穫很大,掌握了不少新的實驗事實和研究方法。他抓緊每一分鐘時間,固為他深知,離1852年春天回國的日子越來越近了。

凱庫勒所寫的第一篇化學論文,是他研究硫酸氫戊酯的成果。這篇學術論文,得到了威爾教授等專家的很高評價。論文發表後,1852年6月,大學的學術委員會決定授予凱庫勒以化學博士學位。

回國後不久,經李比希介紹,凱庫勒到阿道夫·馮·普蘭特的私人實驗室工作過一段時間。後來到倫敦的約翰·施但豪斯的實驗室工作。施但豪斯實驗室的主要任務,是分析各種藥物製劑,並研究從天然物(主要是植物)中製取各種新藥的方法。這些工作單調乏味,每天累得精疲力竭,但凱庫勒卻毫無怨言,不知疲倦地研究著。晚上閒下來,就和同事們討論有機化學中的理論問題和哲學問題。他們圍坐在一起,進行著激烈的爭論:象“化合價”、“原子量”、“分子”等概念,都是多次引起爭論的話題。

凱庫勒對原子價問題特別關注。他反覆構想著,二價的硫和氧是一樣的,因此,如果具備適當的條件,某些含氧有機化合物中的氧應該能被硫原子所取代,不久。他的想法果然得到了實驗證明,由此,凱庫勒認為原子的“化合價”概念,可以作為新理論的基礎。原子之間是按照某種簡單的規律化合的。他把元素的原子構想為一個個極小的小球,它們之間的差別只是大小不同而已。每當他閉上眼睛時,就仿佛清晰地看到了這些小球,在不停地運動著。當它們相互接近時,就彼此化合在一起。在斯但豪斯的實驗室里,緊張而單調的工作幾乎占去了凱庫勒的全部時間,他的許多科學思想、新的假說都無暇去深入思考和進行實驗驗證。因此,他渴望能回到德國去,即使在某大學當個講師,也可以有進行自己科研工作的時間。在1855年春天,凱庫勒離英回國。他先後訪問了柏林、吉森、葛廷根和海德堡等城市的一些大學,但令他失望的是,這么多地方都未能使他找到一份合適的工作。於是,他決定在海德堡以副教授的身份私人開課。他的這個想法得到了海德堡大學的化學教授羅伯特·本生的支持。凱庫勒租了一套房子,把其中的一間作為教室,將一間改裝成實驗室。經濟上完全由叔父支助。

到他這裡來聽課的人,最初只有6人;但沒過多久,教室里就座無虛席了。這使凱庫勒獲得一筆可觀的收入。而預約登記到他的實驗室來工作的實習生還在與日俱增。他一邊講課,一邊帶實習生做實驗,並用所有的空閒時間繼續自己的研究。主要課題還是在倫敦時開始的有機物的“類型論”和原子的“化合價”。資金雖不充足,但尚可維持研究能不斷進行下去。

凱庫勒投身化學的時期,正是有機化學成為化學主流的時期。有機化學以前所未有的速度向前發展:化學家們發現了有機化合物大量存在的事實,並人工合成了許多罕見的有機化合物;維勒和李比希基因理論的提出;法國化學家日拉爾“類型論”的建立等等。

這無疑大大豐富了有機化學知識,但此時的有機化學無論如何也不能和無機化學相比,因為無機化學的研究有道爾頓原子論的理論為指導,而有機化學沒有。沒有理論指導的實踐,必然是盲目的,混亂的:為了描述醋酸的結構,人們使用了19種表達方式,誰是誰非?化學家們各持己見,互不相讓,有機化學界一片混亂。

1895年,已頗有建樹的化學家凱庫勒擔任了根特大學的化學教師。他在根特大學的化學實驗室里集中研究了有機化合物的主幹——碳鏈問題。大家知道,自然界中的碳原子,不像其他無機元素那樣單個地組成物質分子,而是在碳原子之間形成手拉手似的碳鏈。短的鏈有幾個碳原子,長的鏈有成百上千個碳原子。

凱庫勒通過對醋酸的氯化研究,認識到碳鏈在化學反應中是不變的,牢固穩定的。緊接著,他又用琥珀酸、富馬酸及順丁烯二酸等有機化合物,進行了一系列的實驗研究,來加以印證。不久,凱庫勒表述了他對碳鏈的見解,還提出了有機化合物的結構理論他以碳四價為核心,建立起碳鏈結構理論。凱庫勒的理論,後來經過俄國著名化學家布列特列夫的發展和完善,成為經典性的有機化合物的結構理論。

日新月異的有機化學,使在根特大學從事系統化學教授的凱庫勒感到傳統的教材已經過時,應該重新編寫一本有機化學的新教科書以適應新的課題的需要。

但是,凱庫勒在收集資料過程中,深深地感到化學界的混亂。為了提高化學家的理論統一性,他於1859年秋來到了卡爾斯魯厄。

凱庫勒此行的目的,是要和化學教授卡爾·魏爾青商討關於召開世界化學家會議的問題。會議的主要內容,是解決化學家們在化學價、元素符號、原子和分子概念等方面的不同意見。

凱庫勒的這種想法立即得到世界化學界的回響。

1860年9月3日,第一屆世界化學家大會在德國卡爾斯魯厄城召開,來自十幾個國家的150位化學家出席了這次大會。這次會議解決了所有無機化學存在的混亂問題,可以說達到了預期目的。

但是作為會議發起人的凱庫勒卻很不滿意。因為在這次會議上占主導地位的是無機化學,他的有機化學結構問題卻被大多數人淡忘了。也許是有機化學真像維勒所說的那樣是一片猙獰的、可怕的原始森林。

1861年起,凱庫勒編著的《有機化學教程》一書,分冊陸續出版問世。1862年33歲的凱庫勒與照明用煤氣廠廠長的女兒斯特凡尼婭結了婚。美滿的婚姻使凱庫勒力量倍增,他以更大的熱情投入了工作。但可惜的是幸福的時光轉瞬即逝。懷孕後的妻子健康狀況令人擔擾,使凱庫勒非常焦慮。結果,由於兒子的誕生卻犧牲了母親的生命。凱庫勒沉浸在無限悲痛之中。多少親朋好友的勸慰,都未能使他從痛苦中解脫。唯有研究工作,使他在緊張中暫時忘卻不幸,他集中精力研究起苯及其衍生物。1866年,他畫出苯的一個單、雙鍵的空間模型,與現代結構式完全等價。1896年春天,在柏林發生了嚴重的流行性感冒,早已患慢性氣管炎的凱庫勒被感染後,病情日益惡化。同年6月13日他與世長辭了。

作為一個傑出的科學家,凱庫勒的成就得到了全世界的普遍公認。許多國家的科學院曾選他為名譽院士。他的意見不僅受到科學家的重視,而且也常為工業家們所採納,成為19世紀以來。有機化學界的真正權威。

個人成就

苯環 苯環

早年,凱庫勒在前人工作的基礎上發展了類型論,認為分子的性質主要由類型決定,並試圖建立一個有機物的整體的類型學說。1857—1858年,他提出了有機物分子中碳原子為四價,而且可以互相結合成碳鏈的思想,為現代結構理論奠定了基礎。他的另一重大貢獻是在1865年發表“論芳香族化合物的結構”論文,第一次提出了苯的環狀結構理論。這一理論極大地促進了芳香族化學的發展和有機化學工業的進步。充分體現了基礎理論研究對於技術和經濟進步的巨大推動作用。

在海德堡以副教授的身份私人開課期間(1856-1858),凱庫勒用弄到的各種化學試劑合成了許多新物質,研究了它們的性質。他特別集中精力研究了雷酸及其鹽類,期望搞清它們的結構。

凱庫勒的研究,使原有的幾種基本類型的有機化合物中,又補充了一種新的類型——甲烷類型。例如把甲烷的四個氫原子由一價的基團所取代,則可以得到甲烷類型的化合物。在《論雷酸汞的結構》一文中,他闡述了上述結論。在當時的德國,能理解和贊同日拉爾和歐德林等人的科學思想的化學家甚少,而凱庫勒卻補充和發展了他的類型論。

關於原子價理論,凱庫勒曾發表了《關於多原子基團的理論》一文,他提出了一些基本原理。並對弗蘭克蘭、威廉遜、歐德林等人的某些結論加以概括總結,深入地研究了原子間的化合能力問題,他認為,一種元素究竟以幾個原子與另一種元素的一個原子相結合。這個數目取決於化合價,即取決於各組分之間親合力的大小。他把元素分為三類:

一價元素——氫、氯、溴、鉀和鈉;

二價元素——氧和硫;

三價元素一一氮、磷和砷。

這樣,凱庫勒就闡明了他對化合價的觀點。在該文中,他還指出在所有的化學元素中,碳是占有特殊地位的。在有機化合物中碳是四價,因為它與四個一價的氫或氯相結合而形成CH4、CCl4。但是,碳還能生成別的碳氫化合物。因此,對於含碳的化合物需要特別加以研究。他的《論含碳化合物的組成和轉化,兼論碳的化學性質》一文,不僅論證了碳在有機物中呈四價這一特點,還指出日拉爾曾試圖用一個普遍原理——“雙置換”(或稱”二元置換”)來概括所有的化學反應。實踐證明,日拉爾的理論是錯誤的,因為有“些反應是由幾個分子直接化合成一個分子。文中凱庫勒還用他嶄新的思想考察了有機基團的組成。他寫道,對於那些含有若干個碳原子的物質來說,應認為,個別種元素的原子是依靠了碳對它們的親合力(即化合價)才能存在於有機物中。碳原碳與碳原子之間也相互化合,這時,一個碳原子的部分親合力(化合價)被另一個碳原子的等量親合力(化合價)所飽合。這在當時大多數化學家還不理解化合價的本質時、凱庫勒的上述思想,也就是關於碳鏈的新思想的出現是有機化合物理論的一次革命。

凱庫勒不僅表述了關於碳鏈的見解,還陸續地提出了有機化合物的結構理論,指出飽和碳氫化合物的組成通式為CnH2n+2 。他還指出,如果用簡單轉化的方法從一種物質中製取另一種物質,那么,可以認為在這類化合物中,碳原子的排列是不變的。發生轉化時,所改變的僅僅是除碳原子外的別種原子的位置和它們的類型。

蛇咬尾狀 蛇咬尾狀

1861年起,凱庫勒開始研究苯的結構。凱庫勒關於苯環結構的假說,在有機化學發展史上作出了卓越貢獻。他早年受到建築師的訓練,具有一定的形象思維能力,他善於運用模型方法,把化合物的性能與結構聯繫起來,他的苦心研究終於有了結果,1864年冬天,他的科學靈感導致他獲得了重大的突破。他曾記載道:“我坐下來寫我的教科書,但工作沒有進展;我的思想開小差了。我把椅子轉向爐火,打起瞌睡來了。原子又在我眼前跳躍起來,這時較小的基團謙遜地退到後面。我的思想因這類幻覺的不斷出現變得更敏銳了,現在能分辨出多種形狀的大結構,也能分辨出有時緊密地靠近在一起的長行分子,它圍繞、鏇轉,象蛇一樣地動著。看!那是什麼?有一條蛇咬住了自己的尾巴,這個形狀虛幻地在我的眼前鏇轉著。象是電光一閃,我醒了。我花了這一夜的剩餘時間,作出了這個假想。”於是,凱庫勒首次滿意地寫出了苯的結構式。指出芳香族化合物的結構含有封閉的碳原子環。它不同於具有開鏈結構的脂肪族化合物。

苯環結構的誕生。是有機化學發展史上的一塊里程碑,凱庫勒認為苯環中六個碳原子是由單鍵與雙鍵交替相連的,以保持碳原子為四價。

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